ব্ল্যাকহোল কী? এর ধারণা বিজ্ঞানে কিভাবে এলো?

বিজ্ঞান ও প্রযুক্তি ডেস্ক : ফিলোসফিক্যাল ট্রানজাকশন অব দ্য সোসাইটির পত্রিকায় ব্রিটিশ বিজ্ঞানী জন মিশেল একটি গবেষণাপত্র লেখেন, ১৮৮৩ সালে। মিশেল অদ্ভুত এক বস্তুর কথা বলেন সেখানে। ভীষণ ভারী বস্তুটা, আমাদের সূর্যের চেয়ে অনেক অনেক বেশি। সেই সঙ্গে যদি ঘনত্বও খুব বেশি হয়, মিশেল বলেন, সেই নক্ষত্রের মহাকর্ষীয় বল হবে অনেক শক্তিশালী।

কতটা শক্তিশালী? সেটা ঠিকঠাক গণনা করে বলতে পারেননি মিশেল। বলেছিলেন, এতটাই বেশি সেই মহাকর্ষ টান, সেখান থেকে আলো পর্যন্ত বাইরে বেরিয়ে আসতে পারে না। আর আলোই যদি বেরোতে না পারে, সেই নক্ষত্রকে আমরা কখনোই দেখতে পাব না। কিন্তু মিশেল এই ধারণা কেন করলেন?
মিশেলের এই ধারণার পেছনে ছিল নিউটনের আলোর কণাতত্ত্ব।

নিউটন মনে করতেন, আলোক রশ্মি শুধুই রশ্মি নয়, কণাও। আর আলো যেহেতু কণা, তাই আলো বোধ হয় তার গতিসূত্র মেনে চলে। মেনে চলে মহাকর্ষ তত্ত্বও। মিশেলও নিউটনের সঙ্গে একমত ছিলেন।
মিশেলের পক্ষে ছিল নিউটনের মুক্তিবেগ। নিউটন বলেছিলেন, পৃথবী কিংবা সূর্যের মতো ভারী বস্তুগুলো মহাকর্ষ বল দিয়ে ছোট বস্তুগুলোকে নিজের বুকে আটকে রাখে। ছোট বস্তুকে যদি সেই মহাকর্ষ টান এড়িয়ে মহাশূন্যে ছুটে যেতে হয়, তাহলে তাকে পৃথিবীর মুক্তিবেগের চেয়ে বেশি গতিতে ছুটতে হবে। পৃথিবীর মুক্তিবেগ প্রতি সেকেন্ডে ১১ দশমিক ২ কিলোমিটার (৭ মাইল)। রকেটের বেগ সেকেন্ডে ১১ দশমিক ২ কিলোমিটারের বেশি। তাই রকেট পৃথিবীর মহাকর্ষ টান কাটিয়ে মহাকাশে চলে যেতে পারে।

মিশেল বলেন, সেই ভারী নক্ষত্রটার ভর এতটাই বেশি হবে, তার মুক্তিবেগ হবে আলোর গতির চেয়ে বেশি। তাই সেটার মহাকর্ষক্ষেত্র থেকে আলোও বেরিয়ে আসতে পারবে না। মিশেল সেই ভারী আলোখেকো বস্তুটার নাম দিলেন ডার্ক স্টার বা কৃষ্ণতারা।

মিশেলের কথায় যুক্তি ছিল। তাই সেই ধারণায় আকৃষ্ট হলেন ফরাসি বিজ্ঞানী পিয়েরে সাইমন ল্যাপ্লাস । একটা বই প্রকাশ করেন তিনি। নাম সিস্টেম অব দ্য ওয়ার্ল্ড। সেই বইয়ে ল্যাপ্লাস অঙ্ক কষে মিশেলের কৃষ্ণতারার বৈশিষ্ট্য ব্যাখ্যা করতে চেয়েছিলেন। নিউটনের মহাকর্ষ তত্ত্ব আর মুক্তিবেগের সূত্র ধরেই ছিল তাঁর সব প্রচেষ্টা। তিনি বলেছিলেন, পৃথিবীর সমান ঘনত্বের একটা নক্ষত্র, কিন্তু তার ব্যাস সূর্যের ব্যাসের ২৫০ গুণ। তার মাধ্যাকর্ষণ শক্তি হবে বিরাট। সেটা এতই বেশি, তা থেকে আলো বেরিয়ে আসতে পারবে না।

মিশেল কিংবা ল্যাপ্ল্যাস দুজনের ডার্ক স্টার তত্ত্বেই একটা খটকা রয়ে যায়। তাঁদের কালো বস্তুর বাস্তবে থাকা সম্ভব যদি আলো কণা হয়। নিউটনের সমসাময়িক জার্মান বিজ্ঞানী ক্রিশ্চিয়ান হাইগেনস বলেছিলেন, আলো তরঙ্গ। ১৮০৩ সাল। যুক্তরাষ্ট্রের বিজ্ঞানী টমাস ইয়াং তাঁর বিখ্যাত ডাবল স্লিট পরীক্ষায় প্রমাণ করলেন আলোর তরঙ্গ তত্ত্ব। আলো যদি তরঙ্গ হয়, তাহলে নিউটনের মহাকর্ষ বল আলোর ওপর কাজ করে না। তাহলে কীভাবে মিশেলের সেই বিরাট ভরের বস্তু আলোকে গ্রাস করবে? ল্যাপ্লাস এর ব্যাখ্যা পেলেন না। তাই তাঁর সিস্টেম অব দ্য ওয়ার্ল্ড বইয়ের তৃতীয় সংস্করণ থেকে বাদ দিলেন কৃষ্ণতারার অধ্যায়টি।

তারপর ডার্ক স্টারের অন্ধকার যুগ। এর মধ্যে পদার্থবিদ্যার জগৎটাই ওলটপালট হয়ে গেছে। বিশ শতকের শুরুতেই কৃষ্ণবস্তুর বিকিরণের সমস্যা সমাধান করতে গিয়ে জার্মান বিজ্ঞানী ম্যাক্স প্ল্যাঙ্ক বললেন, আলো গুচ্ছ বা প্যাকেট আকারে বিকিরিত হয়। এরপরই দৃশ্যপটে আইনস্টাইনের আবির্ভাব। তিনি আলোর সেই প্যাকেটের নাম দিলেন ফোটন। যেটার চরিত্র আবার কণার মতো। অর্থাৎ আলো একই সঙ্গে কণা ও তরঙ্গ। সেই ১৯০৫ সালেই আইনস্টাইন তাঁর বিশেষ আপেক্ষিকতা তত্ত্ব প্রকাশ করে ভিত নড়বড়ে করে দিলেন চিরায়ত পদার্থবিদ্যার। এরপর ১০ বছর কেটে গেল। আইনস্টাইন তখন বিজ্ঞান জগতের সুপারস্টার। নিউটনের গতিবিদ্যা আমূলে বদলে দিয়েছেন। কিন্তু বাকি রয়ে গেছে মহাকর্ষ তত্ত্ব। নিউটন বলেছিলেন, মহাকর্ষ হলো দুটো বস্তুর মধ্যে আকর্ষণের ফল। আমরা যে পৃথিবীর ওপর হাঁটছি, ঘুরছি-ফিরছি পৃথিবীর বুক থেকে অনন্ত মহাশূন্যে পড়ে যাচ্ছি না, সেটা মহাকর্ষের কারণেই। গাছের আপেল মাটিতে কেন পড়ে? কেন কোনো কিছু ওপরে ছুড়ে মারলে তা আবার নিচে ফিরে আসে, মাটিতে আছাড় খায়? এর পেছনে একটাই বল কাজ করছে। মহাকর্ষ বল। ১৯১৫ সালে নিউটনের এই তত্ত্বে আবার কুঠারাঘাত করলেন আইনস্টাইন। বললেন, মহাকর্ষ মোটেও দুটি বস্তুর মধ্যে ক্রিয়াশীল আকর্ষণ বল নয়। মহাকর্ষ হলো স্থানকালের বক্রতা।

আইনস্টাইন দেখিয়েছিলেন, মহাবিশ্ব হলো স্থানকালের বক্রতা। ছবি: সংগৃহীত

তিনি হিসাব করে দেখিয়েছিলেন, ভারী কোনো বস্তুর উপস্থিতি স্থানকালকে বাঁকিয়ে দেয়। ধরা যাক, একটা চাদর। সেটা চারটে খুঁটির মাথায় টানটান করে বাঁধা। সে ক্ষেত্রে চাদরটাও সমতল পৃষ্ঠের মতো টানটান হয়ে থাকবে। তার ওপর একটা লোহার বল রাখা হলো। তাহলে চাদরটার মাঝখানের জায়গাটা নিচের দিকে ঝুলে যাবে ওই বলটার কারণে। এখন একটা কাচের গুলি চাদরের এক পাশে গড়িয়ে দেওয়া হোক। সেটা ধীরে ধীরে চাদরের মাঝখানের দিকে এগিয়ে যাবে, যেখানে লোহার গোলকটা আছে সেদিকে। তারপর গোলকটার কাছাকাছি গিয়ে কয়েক পাক ঘুরবে। ঘুরতে ঘুরতে একসময় লোহার গোলকের সঙ্গে ধাক্কা খাবে। কারণ, লোহার গোলক চাদরের মাঝখানটা বাঁকিয়ে দিয়েছে। তাই গুলিটা চাদরের ওপর গড়িয়ে দিলে সেটা চলার জন্য আর সমতল পথ পাচ্ছে না। তার চলার পথ বেঁকে গেছে। তাই সে বাঁকা পথেই চলে গেছে গোলকটার দিকে। স্থানকালকেও এমন চাদরের সঙ্গে তুলনা করা যেতে পারে। পৃথিবী, সূর্য, নক্ষত্র, ব্ল্যাকহোল ইত্যাদি ভারী বস্তুর উপস্থিতি স্থানকালকে বাঁকিয়ে দেয়। তখন ভারী বস্তুর কাছে আরেকটা হালকা বস্তু এলে মনে হবে ভারী বস্তুটা হালকা বস্তুকে আকর্ষণ করছে। ঠিক চাদরের ওপর যেভাবে লোহার গোলক কাচের গুলিকে আকর্ষণ করেছিল।

আইনস্টাইন আরও দেখালেন, ভারী বস্তুর পাশ দিয়ে যাওয়ার সময় আলো বেঁকে যায়। অর্থাৎ ভারী বস্তুর মহাকর্ষ বল আলোকে বাঁকিয়ে দেয়। কারণ, ভারী বস্তু তার চারপাশের স্থানকালকে বাঁকিয়ে দিয়েছে। সেই বাঁকা পথে চলতে গিয়ে আলোকেও বেঁকে যেতে হয়।

আইনস্টাইনের সাধারণ আপেক্ষিকতা তত্ত্ব অত্যন্ত জটিল। নির্দিষ্ট কোনো সমাধান ছিল না। ছিল অনেকগুলো জটিল সমীকরণের সমাহার। সেসব সমীকরণ সমাধান করে একটা আসন্ন মানে পৌঁছানোর চেষ্টা করেছিলেন অনেক বিজ্ঞানী। জার্মান পদার্থবিদ কার্ল সোয়ার্জচাইল্ড ল্যাপ্লাসের সমীকরণের দেখা পান আইনস্টাইনের সমীকরণ সমাধান করতে গিয়ে বেরিয়ে আসে, মহাকাশে এমন কোনো বস্তু থাকে, যেটা জন মিশেলের সেই কৃষ্ণতারার মতো।

সোয়ার্জশিল্ড হিসাব করে দেখালেন, এ ধরনের নক্ষত্রটি এ সময়ে একটি নির্দিষ্ট মহাকর্ষীয় ক্ষেত্র সীমা থাকে। সেই সীমার বাইরের কোনো বস্তুকে সেই বস্তু আকর্ষণ করতে পারে না। আবার সেই সীমার ভেতরে কোনো বস্তু ঢুকে পড়লে প্রবল বেগে সেটা নক্ষত্রটি গ্রাস করে নেবে। নক্ষত্রটির সেই ব্যাসার্ধকে পরে সোয়ার্জশিল্ড ব্যাসার্ধ বলে নামকরণ করা হয়। আর সোয়ার্জশিল্ড সেই সীমার বাইরের প্রান্তরেখার নাম দিলেন ইভেন্ট হরাইজন বা ঘটনা দিগন্ত। সোয়ার্জশিল্ড দেখালেন, সূর্যকে যদি সংকুচিত করে এর ব্যাসার্ধ তিন কিলোমিটারে আনা সম্ভব হয়, তখন এর থেকে কোনো আলো বের হতে পারবে না। সূর্যের জন্য এই তিন কিলোমিটার ব্যাসার্ধই হলো সোয়ার্জশিল্ড ব্যাসার্ধ। এ অবস্থায় সূর্যের মুক্তিবেগ হবে আলোর চেয়ে বেশি। তাই আলোর পক্ষেও সম্ভব নয় বস্তুটার মহাকর্ষ ক্ষেত্র বেরিয়ে আসে।

১৯২৮ সাল। তখনকার জ্যোতির্বিদেরা মনে করতেন, সব নক্ষত্রই পুরোপুরি মৃত্যুর আগে শ্বেত বামনে পরিণত হবে। সেই বছরই ভারতীয় তরুণ সুব্রনিয়ান চন্দ্রশেখর সমুদ্র জাহাজে চলেছেন বিলেতে। জাহাজে ভেসে তিনি হিসাব কষে দেখলেন, কোনো নক্ষত্রের ভর সূর্যের ভরের দেড় গুণের (আসলে ১ দশমিক ৪ গুণ) বেশি হলে সেই নক্ষত্র আর শ্বেত বামনে পরিণত হবে না। সূর্যের ভরের এই দেড় গুণ সীমা পরে ‘চন্দ্রশেখর লিমিট’ নামে বিখ্যাত হয়ে যায়। ১৩৩৯ সাল। দ্বিতীয় বিশ্বযুদ্ধের ঠিক আগ মুহূর্ত, সে বছরই কৃষ্ণহ্বরের নতুন তত্ত্ব দাঁড় করানোর চেষ্টা করেন মার্কিন বিজ্ঞানী ওপেনহাইমার ।

একটা নক্ষত্রের কথা ভাবতে পারি। সেই নক্ষত্রটার ভর সূর্যের ভরের চেয়ে দেড় গুণেরও বেশি। অর্থাৎ নক্ষত্রটা সূর্যের চন্দশেখর লিমিটকে ছাড়িয়ে গেছে। নক্ষত্রটার ভেতরের জ্বালানি ফুরিয়ে আসছে। তাই নক্ষত্রটার ভেতরের বিক্রিয়া প্রায় বন্ধের পথে। সুতরাং সেটা ধীরে ধীরে সংকুচিত হচ্ছে। মানে ছোট হয়ে আসছে। কিন্তু তার ভেতরের ভর তো কমছে না। বরং ভেতরে পদার্থগুলো ক্রমেই চলে আসছে পরস্পরের কাছাকাছি। তাই তাদের মধ্যে মহাকর্ষ টানের মানও বাড়ছে। আরও নিবিড় হচ্ছে ভেতরের বস্তুগুলোর দূরত্ব। একসময় নক্ষত্রটির আয়তন কমতে কমতে এমন এক পর্যায়ে পৌঁছাবে যে তখন সে তার চুপসে যাওয়াকে আর নিয়ন্ত্রণ করতে পারবে না। একসময় এমন এক অবস্থা দাঁড়াবে, যখন সেটা একটা ছোট এক বিন্দুতে পরিণত হবে। তার চারপাশের স্থানকাল বেঁকে যাবে অসীম মাত্রায়। তখন এই বিশাল মহাকর্ষ টান উপেক্ষা করে তা থেকে কোনো বস্তুই বেরিয়ে আসতে পারবে না। বেরিয়ে আসতে পারবে না আলোও। সেটাই আসলে মিশেলের ডার্ক স্টার আর এ যুগের কৃষ্ণগহ্বর। ওপেনহাইমারের ব্ল্যাকহোল গবেষণা কদ্দুর এগোত কে জানে, এরপরই শুরু হয় বিশ্বযুদ্ধ। থেমে যায় কৃষ্ণগহ্বর নিয়ে সব গুঞ্জন।

ষাটের দশকে সেই গুঞ্জন আবার ডালপালা মেলে। বিজ্ঞানীর আবার উঠেপড়ে লাগেন কৃষ্ণগহ্বরের রহস্য সমাধানে, খাতা-কলমে অঙ্ক কষে। নিউজিল্যান্ডের বিজ্ঞানী রয় কার আপেক্ষিকতা তত্ত্বের আরেক গুচ্ছ সমাধান পেলেন। সেই সমাধান সোয়ার্জশিল্ড সমাধানের চেয়েও গোছালো, আরও স্পষ্ট। রয় বলেছিলেন, কৃষ্ণগহ্বরের আয়তননির্ভর করে তার ভর ও আয়তনের ওপর। তবে কৃষ্ণগহ্বর গবেষণায় প্রাণ সঞ্চার করেন আইরিশ বিজ্ঞানী ওয়ার্নার ইজরাইল। ইজরাইল বলেন, কৃষ্ণগহ্বর আসলে নিখুঁত গোলাকার। আর কুঁড়ের হদ্দ, ঘোরাঘুরির মধ্যে নেই। তার আয়তননির্ভর করবে শুধু ভরের ওপর। শুধু নিখুঁত গোলাকার বস্তু থেকেই কৃষ্ণগহ্বর তৈরি হতে পারে।ইজরাইলের ধারণা ঠিক নয়, তবে আজ এই আলোচনা আর নয়।

সূত্র: Black holes: Everything you need to know